土壤剖面數(shù)據(jù)匯總運(yùn)行模型課件

HYDRUS-1D軟件應(yīng)用馬文翠HYDRUS-1D軟件應(yīng)用馬文翠1軟件簡介HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部鹽漬土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬非飽和土壤中的水、熱、溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，它在模擬土壤中水分運(yùn)動(dòng)、鹽分、污染物(如農(nóng)藥)和養(yǎng)分(如土壤氮素)運(yùn)移方面得到廣泛應(yīng)用。軟件分為1維、2維、3維三種，分別命名維Hydrus-1D、Hydrus-2D、Hydrus-3D。由于非飽和土壤水主要是1維垂向運(yùn)動(dòng)的形式，因此Hydrus-1D的應(yīng)用非常廣泛。軟件簡介HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部鹽漬土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬2問題描述根系層1.細(xì)砂壤土2.中砂1m1.5m1.5m以天津一塊農(nóng)田為背景，對(duì)2012年冬小麥?zhǔn)崭钇谵r(nóng)田尺度下土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析土壤剖面從地面算起的深度：300cm土壤分層：分兩層準(zhǔn)備模擬哪個(gè)時(shí)間段水分變化：0~30d根系分布：1m初始地下水位：地面以下6m問題描述根系層1.細(xì)砂壤土2.中砂1m1.5m1.5m3軟件界面前處理后處理模擬計(jì)算軟件界面前處理后處理模擬計(jì)算4主要過程主要過程5水分運(yùn)移方程將坐標(biāo)原點(diǎn)選在地面，取z軸向下為正，則一維飽和—非飽和帶水分運(yùn)移基本方程為Richards方程：式中：θ為含水率；k（θ）為水力傳導(dǎo)度：h為負(fù)壓水頭；S為植物根系吸水量，對(duì)裸露區(qū)為0。水分運(yùn)移方程將坐標(biāo)原點(diǎn)選在地面，取z軸向下為正，則一維飽和—6幾何信息模型有2個(gè)土層長度單位是cm土壤剖面的深度是300cm幾何信息模型有2個(gè)土層長度單位是cm土壤剖面的深度是3007土壤分區(qū)長度[L]分區(qū)水量[L]流入或流出量[LT-1]平均壓力水頭[L]實(shí)際表面通量[LT-1](入滲/蒸發(fā):-/+)剖面底實(shí)際通量[LT-1](流入/出:+/-)整個(gè)區(qū)域的水質(zhì)量平衡絕對(duì)誤差[L]整個(gè)區(qū)域的水質(zhì)量平衡相對(duì)誤差[%]質(zhì)量平衡信息土壤分區(qū)長度[L]質(zhì)量平衡信息8輸出信息輸出5組結(jié)果，每6天一組選擇輸出時(shí)間點(diǎn)輸出信息輸出5組結(jié)果，每6天一組選擇輸出時(shí)間點(diǎn)9迭代參數(shù)最多迭代次數(shù)含水量迭代精度壓力水頭迭代精度增大步長迭代次數(shù)信號(hào)縮小步長的迭代次數(shù)信號(hào)步長增大比例步長縮小比例最小吸力間距最大吸力間距用于生成水分特征曲線的散點(diǎn)值迭代參數(shù)最多迭代次數(shù)增大步長迭代次數(shù)信號(hào)最小吸力間距用于生成10上、下邊界條件定壓力水頭定通量大氣邊界，可積水大氣邊界，產(chǎn)流變水頭變水頭/通量定壓力水頭定通量變水頭變通量自由排水深度排水滲透面水平排水初始條件使用壓力水頭使用含水量輸入Etp和LAI消光系數(shù)最大積水厚度上、下邊界條件定壓力水頭定壓力水頭初始條件輸入Etp和LAI11消光系數(shù)利用比爾定律計(jì)算消光系數(shù):式中：TPAR是冠層底測(cè)得的瞬時(shí)光合有效輻射(μmol·m-2·s-1)，PAR是冠層頂測(cè)得的瞬時(shí)光合有效輻射，LAI是觀測(cè)日的葉面積指數(shù)。利用冠層上、下測(cè)得的光合有效輻射資料，根據(jù)其變化規(guī)律擬合方程求積分，得到入射PAR的日總量(μmol·m-2·d-1)和透射的PAR日總量，再根據(jù)當(dāng)日的葉面積指數(shù)來計(jì)算日平均消光系數(shù)。定義：植物群體的日同化量大都表示為冠層截獲光合有效輻射(PAR)量的函數(shù)，而群體對(duì)PAR的截獲量可通過到達(dá)冠層頂部的PAR在通過作物群體時(shí)的衰減進(jìn)行計(jì)算，衰減程度用消光系數(shù)(K)表示。它取決于太陽角度、植被類型及葉片空間分布特征。消光系數(shù)利用比爾定律計(jì)算消光系數(shù):式中：TPAR是冠層底測(cè)得12植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D推薦使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來把潛在蒸散量分割為蒸騰潛力和土壤蒸發(fā)潛力：其中ETp為潛在蒸散量（cm/d），Tp為潛在蒸騰量(cm/d)，Ep為土壤潛在蒸發(fā)量(cm/d)，LAI是葉面積指數(shù)，k為消光系數(shù)。潛在蒸散量處理植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D推薦使用一13上邊界通量上邊界通量14隨時(shí)間變化邊界條件隨時(shí)間變化邊界條件15即地面土壤達(dá)到最干燥狀態(tài)時(shí)的壓力水頭。理論上，土壤十分干燥時(shí)，吸力很大，而液態(tài)孔隙水的壓強(qiáng)很小，與空氣濕度保持平衡關(guān)系，有hA為最小壓力水頭，Hr為空氣絕對(duì)濕度，RT/Mg為空氣的摩爾氣體常數(shù)。公式需要近地面空氣濕度，一般可取飽和水汽濕度，因2cm以下土壤空氣濕度往往飽和，隨溫度發(fā)生變化，可據(jù)近地面氣溫變化推算地表土壤空氣濕度，再換算成壓力水頭。HYDRUS中需輸入hA的絕對(duì)值，缺省值為hCritA=|hA|=106cm此數(shù)值只對(duì)土壤蒸發(fā)起作用。建議：hCritA對(duì)應(yīng)的土壤含水量應(yīng)至少比殘余含水量大0.005，在模擬根系吸水時(shí)，hA還應(yīng)低于P3。否則，當(dāng)根系吸水的臨界壓力水頭和地面蒸發(fā)的最小壓力水頭滿足時(shí),會(huì)導(dǎo)致回流現(xiàn)象，不合理。最小壓力水頭值(hCritA)即地面土壤達(dá)到最干燥狀態(tài)時(shí)的壓力水頭。理論上，土壤十分干燥時(shí)16時(shí)間信息時(shí)間單位時(shí)間步長信息模擬30d內(nèi)的變化上邊界是隨時(shí)間變化的，每天一組數(shù)據(jù)，共30組數(shù)據(jù)自動(dòng)處理蒸騰量在每天24小時(shí)內(nèi)的變化時(shí)間信息時(shí)間單位時(shí)間步長信息模擬30d內(nèi)的變化上邊界是隨時(shí)17其中Tp(t)是瞬時(shí)潛在蒸騰量，t為時(shí)間。模型假設(shè)早上6點(diǎn)之前以及晚上18點(diǎn)-24點(diǎn)的蒸騰量總和只占全天蒸騰量的1%。

HYDRUS-1D可以使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來處理每天24小時(shí)潛在蒸騰量的變化，設(shè)某天的潛在蒸騰量為（cm/d），則蒸騰量處理其中Tp(t)是瞬時(shí)潛在蒸騰量，t為時(shí)間。模型假設(shè)早上6點(diǎn)之18土壤水力模型單孔介質(zhì)模型雙重介質(zhì)模型雙重孔隙度雙重滲透性吸濕和疏干滯后過程模型主要在溶質(zhì)運(yùn)移問題中使用土壤水力模型單孔介質(zhì)模型雙重介質(zhì)模型吸濕和疏干滯后過程模型主19vanGenuchten-Mualem公式處理水分特征曲線

θs–飽和含水量[-]θr–殘余含水量[-]a,m,n，l-經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[1/L],[-],[-],

[-]Se–有效含水量[-]Ks–滲透系數(shù)[L/T]K(h)–壓力水頭為h時(shí)的非飽和導(dǎo)水率[L/T]vanGenuchten-Mualem公式處理水分特征曲線20水力參數(shù)編號(hào)rs

(cm1)nKs(cm/d)l土壤數(shù)據(jù)庫Sandyloamsandθr：土壤殘余含水量θs：土壤飽和含水量Alpha、N：土壤持水函數(shù)中的參數(shù)[L-1]Ks：飽和導(dǎo)水率，即滲透系數(shù)[LT-1]l：導(dǎo)水函數(shù)中的曲度參數(shù)[-]水力參數(shù)編號(hào)rs(cm1)21神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊99-101%0.5-2.00.0-1.0神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊99-101%0.5-2.00.0-1.022根吸水水分脅迫模型鹽分脅迫模型根系吸鹽模型補(bǔ)償吸水域值（臨界濕潤度）根吸水水分脅迫模型鹽分脅迫模型根系吸鹽模型補(bǔ)償吸水域值23其中，S(x)是吸水強(qiáng)度函數(shù)(cm/(cm·d))，(h)是水分脅迫函數(shù)，b(x)是根系吸水分配（密度）函數(shù)，描述根系吸水的空間變異，Tp是潛在蒸騰量(cm/d)，Ta是實(shí)際蒸騰量(cm/d)，h為土壤壓力水頭(cm)，LR為根系層的深度。根吸水模型其中，S(x)是吸水強(qiáng)度函數(shù)(cm/(cm·d))，24根吸水參數(shù)P3P2LP2HPoptP0壓力水頭(pressurehead,cm)=1=0r2Hr2L數(shù)據(jù)庫吸水強(qiáng)度(cm/d)脅迫函數(shù)兩個(gè)臨界吸水強(qiáng)度根吸水參數(shù)P3P2L25確定根系隨深度的分布，b(x)滿足：其中，LR為根系層厚度,x是深度。本算例中根系層厚度1m，假設(shè)根系分布函數(shù)為線性，并有,x1容易證明上式滿足積分為1的條件。選擇Conditions/RootDistribution，使用Editcondition，劃定根系層范圍(100cm)，頂部數(shù)值設(shè)為0，底部設(shè)為2，讓程序自動(dòng)進(jìn)行線性差值。根系吸水分配函數(shù)b(x)確定根系隨深度的分布，b(x)滿足：根系吸水分配函數(shù)b(x)26根系分布根系分布函數(shù)使用工具條ConditionsRootDistribution根系分布根系分布函數(shù)使用工具條Conditions27初始條件選擇Conditions/InitialCondition。本算例中初始地下水位位于地下600cm，假設(shè)土壤剖面初始狀態(tài)是靜力平衡態(tài)，則模型底部壓力水頭為-300cm，地面壓力水頭為-600cm。使用EditCondition，設(shè)置頂部和底部壓力水頭，并讓程序自動(dòng)插值形成初始條件。初始條件選擇Conditions/InitialCond28加入觀察點(diǎn)選擇Conditions/ObservationPoints，使用Insert工具條添加若干觀察點(diǎn)。加入觀察點(diǎn)選擇Conditions/Observation29土壤剖面數(shù)據(jù)匯總土壤剖面數(shù)據(jù)匯總30運(yùn)行模型，查看結(jié)果運(yùn)行模型，查看結(jié)果31土壤剖面數(shù)據(jù)匯總運(yùn)行模型課件32土壤剖面數(shù)據(jù)匯總運(yùn)行模型課件33土壤剖面數(shù)據(jù)匯總運(yùn)行模型課件34土壤剖面數(shù)據(jù)匯總運(yùn)行模型課件35ThankYou!ThankYou!36HYDRUS-1D軟件應(yīng)用馬文翠HYDRUS-1D軟件應(yīng)用馬文翠37軟件簡介HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部鹽漬土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬非飽和土壤中的水、熱、溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，它在模擬土壤中水分運(yùn)動(dòng)、鹽分、污染物(如農(nóng)藥)和養(yǎng)分(如土壤氮素)運(yùn)移方面得到廣泛應(yīng)用。軟件分為1維、2維、3維三種，分別命名維Hydrus-1D、Hydrus-2D、Hydrus-3D。由于非飽和土壤水主要是1維垂向運(yùn)動(dòng)的形式，因此Hydrus-1D的應(yīng)用非常廣泛。軟件簡介HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部鹽漬土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬38問題描述根系層1.細(xì)砂壤土2.中砂1m1.5m1.5m以天津一塊農(nóng)田為背景，對(duì)2012年冬小麥?zhǔn)崭钇谵r(nóng)田尺度下土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析土壤剖面從地面算起的深度：300cm土壤分層：分兩層準(zhǔn)備模擬哪個(gè)時(shí)間段水分變化：0~30d根系分布：1m初始地下水位：地面以下6m問題描述根系層1.細(xì)砂壤土2.中砂1m1.5m1.5m39軟件界面前處理后處理模擬計(jì)算軟件界面前處理后處理模擬計(jì)算40主要過程主要過程41水分運(yùn)移方程將坐標(biāo)原點(diǎn)選在地面，取z軸向下為正，則一維飽和—非飽和帶水分運(yùn)移基本方程為Richards方程：式中：θ為含水率；k（θ）為水力傳導(dǎo)度：h為負(fù)壓水頭；S為植物根系吸水量，對(duì)裸露區(qū)為0。水分運(yùn)移方程將坐標(biāo)原點(diǎn)選在地面，取z軸向下為正，則一維飽和—42幾何信息模型有2個(gè)土層長度單位是cm土壤剖面的深度是300cm幾何信息模型有2個(gè)土層長度單位是cm土壤剖面的深度是30043土壤分區(qū)長度[L]分區(qū)水量[L]流入或流出量[LT-1]平均壓力水頭[L]實(shí)際表面通量[LT-1](入滲/蒸發(fā):-/+)剖面底實(shí)際通量[LT-1](流入/出:+/-)整個(gè)區(qū)域的水質(zhì)量平衡絕對(duì)誤差[L]整個(gè)區(qū)域的水質(zhì)量平衡相對(duì)誤差[%]質(zhì)量平衡信息土壤分區(qū)長度[L]質(zhì)量平衡信息44輸出信息輸出5組結(jié)果，每6天一組選擇輸出時(shí)間點(diǎn)輸出信息輸出5組結(jié)果，每6天一組選擇輸出時(shí)間點(diǎn)45迭代參數(shù)最多迭代次數(shù)含水量迭代精度壓力水頭迭代精度增大步長迭代次數(shù)信號(hào)縮小步長的迭代次數(shù)信號(hào)步長增大比例步長縮小比例最小吸力間距最大吸力間距用于生成水分特征曲線的散點(diǎn)值迭代參數(shù)最多迭代次數(shù)增大步長迭代次數(shù)信號(hào)最小吸力間距用于生成46上、下邊界條件定壓力水頭定通量大氣邊界，可積水大氣邊界，產(chǎn)流變水頭變水頭/通量定壓力水頭定通量變水頭變通量自由排水深度排水滲透面水平排水初始條件使用壓力水頭使用含水量輸入Etp和LAI消光系數(shù)最大積水厚度上、下邊界條件定壓力水頭定壓力水頭初始條件輸入Etp和LAI47消光系數(shù)利用比爾定律計(jì)算消光系數(shù):式中：TPAR是冠層底測(cè)得的瞬時(shí)光合有效輻射(μmol·m-2·s-1)，PAR是冠層頂測(cè)得的瞬時(shí)光合有效輻射，LAI是觀測(cè)日的葉面積指數(shù)。利用冠層上、下測(cè)得的光合有效輻射資料，根據(jù)其變化規(guī)律擬合方程求積分，得到入射PAR的日總量(μmol·m-2·d-1)和透射的PAR日總量，再根據(jù)當(dāng)日的葉面積指數(shù)來計(jì)算日平均消光系數(shù)。定義：植物群體的日同化量大都表示為冠層截獲光合有效輻射(PAR)量的函數(shù)，而群體對(duì)PAR的截獲量可通過到達(dá)冠層頂部的PAR在通過作物群體時(shí)的衰減進(jìn)行計(jì)算，衰減程度用消光系數(shù)(K)表示。它取決于太陽角度、植被類型及葉片空間分布特征。消光系數(shù)利用比爾定律計(jì)算消光系數(shù):式中：TPAR是冠層底測(cè)得48植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D推薦使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來把潛在蒸散量分割為蒸騰潛力和土壤蒸發(fā)潛力：其中ETp為潛在蒸散量（cm/d），Tp為潛在蒸騰量(cm/d)，Ep為土壤潛在蒸發(fā)量(cm/d)，LAI是葉面積指數(shù)，k為消光系數(shù)。潛在蒸散量處理植被蒸騰量和土壤蒸發(fā)量分開處理，HYDRUS-1D推薦使用一49上邊界通量上邊界通量50隨時(shí)間變化邊界條件隨時(shí)間變化邊界條件51即地面土壤達(dá)到最干燥狀態(tài)時(shí)的壓力水頭。理論上，土壤十分干燥時(shí)，吸力很大，而液態(tài)孔隙水的壓強(qiáng)很小，與空氣濕度保持平衡關(guān)系，有hA為最小壓力水頭，Hr為空氣絕對(duì)濕度，RT/Mg為空氣的摩爾氣體常數(shù)。公式需要近地面空氣濕度，一般可取飽和水汽濕度，因2cm以下土壤空氣濕度往往飽和，隨溫度發(fā)生變化，可據(jù)近地面氣溫變化推算地表土壤空氣濕度，再換算成壓力水頭。HYDRUS中需輸入hA的絕對(duì)值，缺省值為hCritA=|hA|=106cm此數(shù)值只對(duì)土壤蒸發(fā)起作用。建議：hCritA對(duì)應(yīng)的土壤含水量應(yīng)至少比殘余含水量大0.005，在模擬根系吸水時(shí)，hA還應(yīng)低于P3。否則，當(dāng)根系吸水的臨界壓力水頭和地面蒸發(fā)的最小壓力水頭滿足時(shí),會(huì)導(dǎo)致回流現(xiàn)象，不合理。最小壓力水頭值(hCritA)即地面土壤達(dá)到最干燥狀態(tài)時(shí)的壓力水頭。理論上，土壤十分干燥時(shí)52時(shí)間信息時(shí)間單位時(shí)間步長信息模擬30d內(nèi)的變化上邊界是隨時(shí)間變化的，每天一組數(shù)據(jù)，共30組數(shù)據(jù)自動(dòng)處理蒸騰量在每天24小時(shí)內(nèi)的變化時(shí)間信息時(shí)間單位時(shí)間步長信息模擬30d內(nèi)的變化上邊界是隨時(shí)53其中Tp(t)是瞬時(shí)潛在蒸騰量，t為時(shí)間。模型假設(shè)早上6點(diǎn)之前以及晚上18點(diǎn)-24點(diǎn)的蒸騰量總和只占全天蒸騰量的1%。

HYDRUS-1D可以使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來處理每天24小時(shí)潛在蒸騰量的變化，設(shè)某天的潛在蒸騰量為（cm/d），則蒸騰量處理其中Tp(t)是瞬時(shí)潛在蒸騰量，t為時(shí)間。模型假設(shè)早上6點(diǎn)之54土壤水力模型單孔介質(zhì)模型雙重介質(zhì)模型雙重孔隙度雙重滲透性吸濕和疏干滯后過程模型主要在溶質(zhì)運(yùn)移問題中使用土壤水力模型單孔介質(zhì)模型雙重介質(zhì)模型吸濕和疏干滯后過程模型主55vanGenuchten-Mualem公式處理水分特征曲線

θs–飽和含水量[-]θr–殘余含水量[-]a,m,n，l-經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[1/L],[-],[-],

[-]Se–有效含水量[-]Ks–滲透系數(shù)[L/T]K(h)–壓力水頭為h時(shí)的非飽和導(dǎo)水率[L/T]vanGenuchten-Mualem公式處理水分特征曲線56水力參數(shù)編號(hào)rs

(cm1)nKs(cm/d)l土壤數(shù)據(jù)庫Sandyloamsandθr：土壤殘余含水量θs：土壤飽和含水量Alpha、N：土壤持水函數(shù)中的參數(shù)[L-1]Ks：飽和導(dǎo)水率，即滲透系數(shù)[LT-1]l：導(dǎo)水函數(shù)中的曲度參數(shù)[-]水力參數(shù)編號(hào)rs(cm1)57神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊99-101%0.5-2.00.0-1.0神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊99-101%0.5-2.00.0-1.058根吸水水分脅迫模型鹽分脅迫模型根系吸鹽模型補(bǔ)償吸水域值（臨界濕潤度）根吸水水分脅迫模型鹽分脅迫模型根系吸鹽模型補(bǔ)償吸水域值59其中，S(x)是吸水強(qiáng)度函數(shù)(cm/(cm·d))，(h)是水分脅迫函數(shù)，b(x)是根系吸水分配（密度）函數(shù)，描述根系吸水的空間變異，Tp是潛在蒸騰量(cm/d)，Ta是實(shí)際蒸騰量(cm/d)，h為土壤壓力水頭(cm)，LR為根系層的深度。根吸水模型其中，S(x)是吸水強(qiáng)度函數(shù)(cm/(cm·d))，60根吸水參數(shù)P3P2LP2HPoptP0壓力水頭(pressurehead,cm)=1=0r2Hr2L